Das duale Karbonat-‘clumped-isotope‘-Thermometer: Differenzierung zwischen Temperatur, kinetischen und diagenetischen Effekten zur genauen Rekonstruktion von Erdoberflächentemperaturen

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Fiebig
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451014668

Wie und warum wurde unser Planet bewohnbar? Durch welche Randbedingungen wurde die Entwicklung des Lebens auf unserem Planeten beeinflusst? Wie wird sich das zukünftige Klima entwickeln und welche Folgen wird dies für die Biodiversität haben? Zur Beantwortung dieser essentiellen Fragen ist es unerlässlich, das vergangene Zusammenspiel zwischen atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen, der Erdoberflächentemperatur und der Biodiversität auf unserem Planeten zu studieren. Es gibt bislang aber keinen geeigneten chemischen oder isotopischen Proxy, mit dessen Hilfe vergangene Erdoberflächentemperaturen zuverlässig rekonstruiert werden können. Der Einbau dieser Proxys in natürliche Gesteinsarchive wird zusätzlich zur Temperatur auch durch die Zusammensetzung des umgebenden Fluids und die zugrunde liegende Mineralisationskinetik kontrolliert. Auch ist eine nachträgliche Veränderung der ursprünglichen Proxyzusammensetzung durch diagenetische Prozesse möglich. Diese zusätzlichen, Einfluss ausübenden Faktoren und Prozesse haben zur Folge, dass rekonstruierte Temperaturen oftmals mit grossen Unsicherheiten verbunden sind. Meiner Arbeitsgruppe ist es nun weltweit erstmals gelungen, hochpräzise Messungen der Häufigkeit von 12C18O18O (Δ48) in CO2 freigesetzt aus Karbonaten neben der des herkömmlichen 13C18O16O (Δ47) durchzuführen. Unsere ersten Ergebnisse implizieren, dass es diese duale Analyse von Δ48 und Δ47 in einzigartiger Weise ermöglichen könnte, die genaue Bildungstemperatur von Karbonaten unabhängig von kinetischen und diagenetischen Einflüssen mit einer bislang unerreichten Präzision (< ±2°C, 95% Konfidenzintervall) zu bestimmen. Im Rahmen dieses Projekts sollen die thermodynamischen und kinetischen Grundlagen der Karbonat-(Bio-)Mineralisation bezogen auf ihre Δ47 und Δ48-Systematik untersucht werden. Basierend auf dem Verständnis dieser Systematik soll das duale Karbonat-‘clumped-isotope‘-Thermometer dann in einer ersten Anwendung eingesetzt werden, um zuverlässige und hochpräzise Erdoberflächentemperaturen und breitengradabhängige Temperaturgradienten für Hoch-pCO2 Intervalle der Erdvergangenheit zu rekonstruieren. Mit Hilfe eines solchen zuverlässigen Datensatzes können Modellierer dann die Genauigkeit bisheriger pCO2-basierter Klimamodelle testen und verbessern, um mögliche Folgen des anthropogenen CO2-Eintrags besser eingrenzen zu können. Die beantragte Exploration der thermodynamischen und kinetischen Grundlagen ist darüber hinaus wichtig, um weitere potentielle Anwendungen dieser neuen Analytik zugänglich zu machen. Diese betreffen die Rekonstruktionen i) von Temperatur-Zeit Pfaden bei der Versenkung und Hebung von Gesteinen, ii) der Entwicklung der Bioproduktivität des Ozeans, iii) der Auswirkungen des anthropogenen CO2-Eintrags auf die Karbonat-Biomineralisation sowie iv) der Erdoberflächentemperatur bis ins Archaikum hinein zum besseren Verständnis der Entwicklung der Bewohnbarkeit unseres Planeten und der Entwicklung des Lebens.

• DFG-Verfahren: Reinhart Koselleck-Projekte
• Kooperationspartner: Professor Dr. Michael E. Böttcher; Professor Dr. Martin Dietzel